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Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Oswaldo Cascudo –
Universidade Federal de GoiásHelena Carasek –
Universidade Federal de Goiás
Nicole P. Hasparyk –
Furnas Centrais Elétricas
Microestrutura dos Materiais Cerâmicos
Capítulo 11
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Introdução
Os materiais cerâmicos podem ser definidos como sendo materiais formados por compostos de elementos metálicos (Al, Na, K, Mg, Ca, Si, etc.) e um dos cinco seguintes elementos não-metálicos: O, S, N, C e P. Esses elementos são unidos por ligações fortes iônicas e/ou covalentes.
●
Definição –
Materiais cerâmicos:
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Introdução
●
Exemplo típico de composto cerâmico :
MgO
•
com relação 1:1 entre átomos metálicos (Mg) e não-metálicos (O);
•
é
amplamente presente como constituinte de materiais refratários, pois pode suportar altas temperaturas sem se dissociar ou fundir.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Introdução
●
Outros exemplos:
•
SiO2 (sílica);
•
Al2 O3 (alumina);
•
Argilas: também são materiais cerâmicos comuns, só
que bem mais complexos do que o MgO;
Uma das argilas mais simples é
a caulinita, ou Al4Si4O10(OH)8, que forma sua estrutura cristalina com quatro diferentes
unidades: Al, Si, O e o radical (OH).
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Introdução●
Tipos de ligação nos materiais cerâmicos:
Tipos de Ligação Material
CovalenteSi
SiCSi3
N4
Iônica
NaClMgO
Mica -
(K,H3
O)Al2
(Si,Al)4
O10
(OH)2
Covalente-IônicaAl2
O3
Quartzo -
SiO2
Vidro soda-cal –
Na2
O.CaO.6SiO2
Tipos de ligação nos materiais cerâmicos (adaptado de ANDERSON et
al., 1990).
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Introdução
Na construção civil, os materiais cerâmicos abrangem grande variedade de substâncias naturais e de materiais e produtos
industrializados.
Materiais naturais:
•
as argilas e as rochas.
●
Materiais cerâmicos –
variedade de substâncias e de materiais:
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Materiais e componentes industrializados:
•
os tijolos;•
os blocos e as telhas cerâmicas;
•
os aglomerantes minerais (cimento Portland, cal e gesso) bem como os compósitos com eles fabricados (argamassas e concretos); •
as peças cerâmicas de revestimento (azulejo, porcelanato,
pastilhas e placas cerâmicas em geral para revestimento de parede e piso);•
as louças sanitárias;
•
os vidros;•
materiais refratários.
Introdução●
Materiais cerâmicos –
materiais e componentes industrializados:
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Estruturas Cristalinas das Fases Cerâmicas
●
Simples ou comuns;
•●
Complexas:• •
perovsquita;
• •
coríndon;• •
espinélio;
• •
grafita.
●
Podem ser:
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
•
Estruturas Cristalinas das Fases Cerâmicas
•●
Perovsquita:
Estrutura da perovsquita –
exemplo da célula unitária do BaTiO3.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
●
Coríndon
:
Estruturas Cristalinas das Fases Cerâmicas
Parte de uma célula unitária hexagonal representando a estrutura do coríndon (na célula, apenas 2/3 das posições do íon Al3+
estão representadas).
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Estruturas Cristalinas das Fases Cerâmicas
•●
Espinélio:
Parte da célula unitária do espinélio do MgAl2O4.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Estruturas Cristalinas das Fases Cerâmicas
•●
Grafita:
Célula unitária hexagonal em camadas representativa da grafita.
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Silicatos
Materiais compostos essencialmente por silício e oxigênio.
●
Definição –
Silicatos:
Exemplos de alguns materiais da construção constituídos por silicatos:
•
Cimento Portland;•
Agregados;
•
Tijolos;• Telhas;• Vidros.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Silicatos
●
Composição química dos principais componentes presentes em alguns silicatos cerâmicos:
Composição química aproximada dos principais componentes presentes em alguns silicatos cerâmicos (SHACKELFORD, 1996).
Cerâmica% Elementos químicos presentes
SiO2 Al2 O3 K2 O MgO CaO outros
Cimento Portland 25 9 - - 64 2
Sílica refratária 96 - - - - 4
Argila calcinada refratária 50-70 45-25 - - - 5
Mulita
refratária 28 72 - - - -
Porcelana elétrica 61 32 6 - - 1
Porcelana de esteatita 64 5 - 30 - 1
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Silicatos
Estrutura dos silicatos: unidade fundamentalQuatro íons de oxigênio nos vértices de um tetraedro regular rodeando o íon de silício tetravalente, que os coordena.
Estrutura tetraédrica do silicato, carregada negativamente: a) visualização externa; b) vista interna com o silício posicionado no interstício dos átomos de oxigênio.
•a) •b)
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Silicatos
Possíveis arranjos dos tetraedros de silicatos
a) ilha de ortossilicato
(arranjo isolado do tetraedro);
b) ilha de pirossilicato
(unidades tetraédricas duplas);
c) estrutura em cadeia; d) estrutura na forma de anel;
e) estrutura em folha, típica do argilomineral
caulinita.
(ASKELAND, 1990).
-
-
-
-
- -
---
-
-
--
- -
-
-
-
Si4+
O2-
-
-
-
-
-
-
Si4+
Al3+
(OH)-
O2-; (OH)-
O2-
a) isolado b) duplo
d) anel e) folha
c) cadeia
-
-
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-
-
-
-
-
- -
---
-- -
---
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--
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-
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--
- -
-
-
-
Si4+
O2-
-
-
-
-
-
-
Si4+
O2-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Si4+
Al3+
(OH)-
O2-; (OH)-
O2-
Si4+
Al3+
(OH)-
O2-; (OH)-
O2-
a) isolado b) duplo
d) anel e) folha
c) cadeia
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
SilicatosArranjos de alguns silicatos presentes nas rochas
Classificação dos minerais silicatos das rochas (KLEIN; HURLBUT Jr., 1999).
Classe Arranjo dos tetraedros SiO4
Relação Si:O
Exemplos de minerais
Mineral Fórmula química
Nesossilicatos
ou ortossilicatos isolados 1:4 Olivina (Mg,Fe)2
SiO4
Sorossilicatos
ou pirossilicatos duplo 2:7 Hemimorfita Zn4
Si2
O7
(OH).H2
O
Ciclossilicatos anéis 1:3 Berilo Be3
Al2
Si6
O18
Inossilicatos
ou metassilicatos
cadeias simples 1:3 Piroxênio: enstatita Mg2
(Si2
O6
)
cadeias duplas 4:11 Tremolita Ca2
Mg5
Si8
O22
(OH)2
Filossilicatos folhas 2:5 Talco Mg3
Si4
O10
(OH)2
Tectossilicatos estruturas tridimensionais 1:2 Quartzo SiO2
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Silicatos
Formas cristalinas polimórficas
principais da sílica:
• Quartzo –
Estrutura fortemente unida, estável e com maior fator de empacotamento
• Cristobalita• Tridimita
Estrutura trimimensional
da sílica: a) cristobalita
e b) tridimita.
•a) •b)
Minerais metaestáveis, baixo fator de empacotamento e baixa densidade
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Pode se tornar reativo quando sujeito ao processo do metamorfismo, apresentando seu retículo cristalino tensionado.
Potencialidade reativa do ponto de vista da reação álcali-sílica (RAS) em compósitos à
base de cimento (concretos e
argamassas).
Silicatos
Quartzo: Mineral considerado termodinamicamente mais estável.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Silicatos
Quartzo -
outras fases potencialmente reativas:• quartzo microcristalino -
quartzo de granulação fina, produzido
pela recristalização dinâmica do mineral;
• calcedônia -
variedade criptocristalina
de quartzo da classe fibrosa.
Outros silicatos potencialmente reativos:• vidro vulcânico -
silicato presente nas rochas ígneas, produzido
pelo resfriamento rápido da lava fundida;
• opala -
mineralóide, conhecido como uma sílica hidratada amorfa ou coloidal.
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Silicatos
Silicatos Anidros do Cimento Portland
• Alita
(C3S):
silicato tricálcico, Ca3
SiO5
(ou 3CaO.SiO2
)
• Belita
(C2S):
silicato dicálcico, Ca2
SiO4
(ou 2CaO.SiO2
)
•
Celita
ou aluminato
(C3A):
fase aluminato
tricálcico, Ca3
Al2
O6
ou
3CaO.Al2
O3
•
Ferrita
ou Ferroaluminato
(C4AF):
ferroaluminato
tetracálcico (Ca2
AlFeO5
ou 4CaO.Al2
O3
.Fe2
O3
)
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Silicatos
Silicatos do Cimento Portland -
Alita
Estrutura do C3
S do cimento Portland, com seus dois principais elementos (adaptada de LEA,1970).
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Silicatos
Silicatos do Cimento Portland -
Belita
Estrutura da fase β−C2
S, com projeção ao longo do eixo b (adaptada de LEA,1970).
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Silicatos
Silicato hidratado do Cimento Portland: C-S-H
Representação simplificada do α-C2
S hidratado (LEA, 1970).
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Vidros e Outras Cerâmicas não Cristalinas
Sílica vítrea:
Tetraedros unidos por ligações covalentes para produzir uma rede tridimensional ao acaso, ou seja, sem orientação, havendo carência de cristalinidade, apesar de se assemelhar à
sílica
cristalina em uma análise a curta distância.
Os vidros ou cerâmicas não cristalinas representam, na sua maioria, silicatos amorfos, apresentando-se semelhantes às
cerâmicas cristalinas do ponto de vista químico.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Diagrama de Fases
O conhecimento dos equilíbrios de fases é
fundamental para prever-se o comportamento dos materiais, porque é
necessário atingir-se o equilíbrio (ou pelo menos um estado próximo a ele) para se alcançar estabilidade química.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Diagrama de Fases
Diagramas de fase = Diagramas de equilíbrio
Determinam:
•
quais fases se encontram em equilíbrio para uma dada composição a certa temperatura;
Permitem:
•
determinar a composição química de cada fase;
•
calcular a quantidade de cada fase presente.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Diagrama de Fases
Mapas a partir dos quais se podem determinar as fases presentes, para qualquer temperatura e composição, desde que o material esteja em equilíbrio.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Diagrama de Fases
As relações de fase , num sistema com um único componente, dependem:
exclusivamente das variáveis de estado (pressão e temperatura).
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Diagrama de Fases
Sistema de um único componente –
SiO2. Observação: um diagrama mais completo incluiria também as modificações de cada fase sob temperaturas mais baixas (adaptada de VAN
VLACK, 1973).
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Diagrama de Fases
Outra forma de representar o diagrama de fase pressão-temperatura para o sistema SiO2
(ASKELAND, 1998).
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Diagrama de Fases
Expansão linear do quartzo e do vidro com o aumento da temperatura (ASKELAND, 1998).
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Diagrama de Fases
●
Diagrama de fases binário:
A pressão é
considerada constante e igual a 1 atm, eliminando-se, assim, essa variável de estado.
Exemplo:
O diagrama SiO2
-Al2
O3
é
um dos mais importantes no entendimento e na previsão das propriedades e comportamento de vários materiais cerâmicos de construção civil.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Diagrama de Fases
Diagrama de fases SiO2
-Al2
O3
, sob pressão constante (adaptada de VAN VLACK, 1984).
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Diagrama de Fases
Operação de queima na indústria cerâmica:
●
é
importante o conhecimento das transformações termoquímicas das argilas e massas cerâmicas;
●
quando a massa cerâmica é
aquecida, ocorrem diversas transformações, sendo as mais importantes:
•
a retração;•
a variação de porosidade;
•
a liberação ou a absorção de calor;•
a perda de massa;
•
as mudanças da estrutura .
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Diagrama de Fases
Temperatura (oC) Retração Porosi-
dadeEfeitos térmicos
Perda de
massa
Análise petrográfica
Análise pordifr. raios X
20 -100 nula alta nenhum pequena cristais decaulinita
cristais de caulinita
100 -
400 nula alta nenhum pequena cristais de caulinita
cristais de caulinita
400 -
500 pequena alta grandeabsorção
muito grande
quebra de cristais
quebra de cristais
500 -
900 média alta nenhum pequena cristais invisíveis metacaulinita
Transformações térmicas do caulim (adaptado de NORTON, 1973).
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Diagrama de Fases
Temperatura (oC) Retração Porosi-
dadeEfeitos
térmicos
Perda de
massa
Análise petrográfica
Análise por difr. raios X
900 -1000 alta média grande evolução nenhuma cristais
invisíveis
apareciment
o de mulita e g-alumina
1000 -1150 nula média nenhum nenhuma crescimento de mulita
crescimento de mulita
1150 -1200 alta redução rápida
pequena evolução nenhuma crescimento
de cristobalitamulita e
cristobalita
Transformações térmicas do caulim –
continuação (adaptado de NORTON, 1973).
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Propriedades dos Materiais Cerâmicos
●
Principais propriedades das cerâmicas:
•
alta estabilidade térmica;
•
boa resistência à
compressão e ao cisalhamento;
•
fratura do tipo frágil;
•
baixa condutividade elétrica.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Propriedades dos Materiais Cerâmicos
Dilatação térmica de alguns materiais de construção (adaptada de VAN VLACK, 1973).
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Propriedades dos Materiais Cerâmicos
Material Esquema Explicação
MetalO arranjo de coordenação nos metais é
o mesmo antes e após
uma etapa completa de escorregamento.
Comparação dos mecanismos de escorregamento entre metais monoatômicos e materiais cerâmicos biatômicos.
• Mecanismos de escorregamento
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Propriedades dos Materiais Cerâmicos
Material Esquema Explicação
Cerâmica
O escorregamento em um crista
l biatômico produziria novos vizinhos com forças de atração e repulsão diferentes; esse novo arranjo somente seria atingido com ruptura de ligações fortes entre os íons Mg2+
e O2-. Assim, o escorregamento é
altamente restrito, uma vez que as duas etapas de escorregamento, necessárias para se atingir uma estrutura semelhante à
original, teriam de se realizar passando por uma situação de alta energia, resultante das repulsões de íons negativos versus íons negativos e de íons positivos versus íons positivos.
Comparação dos mecanismos de escorregamento entre metais monoatômicos e materiais cerâmicos biatômicos -
continuação.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Propriedades dos Materiais Cerâmicos
A ausência praticamente total de escorregamento nos materiais cerâmicos leva às seguintes conseqüências:
•
esses materiais não apresentam comportamento dúctil, ou seja, são frágeis;
•
podem ser solicitados por tensões de compressão muito elevadas, desde que não se tenham poros presentes;
•
existe a possibilidade teórica de se ter um limite de resistência à tração elevado.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Propriedades dos Materiais Cerâmicos
(a) (b)
FRÁGIL
• Comportamento mecânico –
Ilustração para os Materiais Cerâmicos
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Propriedades dos Materiais Cerâmicos
(a) (b)
DÚCTIL
• Comportamento mecânico –
Ilustração para os Materiais Metálicos
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Cerâmica Avançada
Cerâmica avançada, também denominada de cerâmica técnica ou cerâmica fina, engloba uma classe de “novas”
cerâmicas, em que as matérias-primas são artificiais, há
um grande controle do processo e, principalmente, um forte controle da microestrutura.
(YOSHIMURA, 2002)
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Cerâmica Avançada
●
Características especiais:
•
alta resistência mecânica;•
alta dureza e resistência à
abrasão;
•
alta durabilidade (resistência química e à
corrosão);•
alta resistência à
temperatura (são materiais refratários);
•
alto ponto de fusão (alguns chegam até
cerca de 2500°C a 3000°C);•
baixa dilatação térmica;
•
elevada tenacidade;•
baixo peso.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Cerâmica Avançada
●
Exemplos de cerâmicas finas:
•
Alumina;
•
Zircônia;
•
Nitreto de silício;
•
Sialon (Si-Al-O-N);
•
Nitreto de alumínio;
•
Nitreto de boro;
•
Carbeto de silício;
•
Carbeto de boro.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Cerâmica Avançada
Material Composição Densidade(g/cm3)
Resistência à compressão
(MPa)
Resistência à tração(MPa)
Módulo deElasticidade
(GPa)
Alumina Al2
O3 3,98 2810 210 395
Carbeto de silício SiC 3,10 3935 175 420
Nitreto de silício* Si3
N4 3,20 3935 175 420
Sialon Si3
N4
-Al2
O3
-
AlN-SiO23,24 3515 560 315
Zircônia** ZrO2 5,80 3515 420 315
* Nitreto de silício prensado a quente; ** Zircônia parcialmente estabilizada.Propriedades mecânicas de algumas cerâmicas avançadas –
valores aproximados (adaptado de ASKELAND, 1994).
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Bibliografia Consultada
•ANDERSON, J. C. et al. Materials Science. 4. ed. London: Chapman & Hall, 1997.•ASKELAND, D. R. The science and engineering of materials. 2. ed. London: Chapman & Hall, 1990.•______. The science and engineering of materials. 3. ed. Boston: PWS Publishing Company, 1994.•______. The science and engineering of materials. 3. ed. London: Chapman
& Hall, 1998.•CALLISTER Jr., W. D. Materials science and engineering: an introduction. 2. ed. New York: John Wiley & Sons, 1991.•CAMPBELL, D. H. Microscopical
examination and interpretation of Portland
cement and clinker. Illinois: Construction
Technology
Laboratories
–
Portland Cement
Association, 1986.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Bibliografia Consultada
•HASPARYK, N. P.
Investigação dos mecanismos da reação álcali- agregado –
efeito da cinza de casca de arroz e da sílica ativa. Goiânia:
UFG, 1999. 257p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil), Escola de Engenharia Civil, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 1999.JASTRZEBSKI, Z. D. Nature and properties of engineering materials. New York: John Wiley & Sons, 1959.KLEIN, C.; HURLBUT Jr., C. S. (after JAMES D. DANA) Manual of mineralogy. 21. ed. USA: John Wiley
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LEA, F. M.
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3. ed. London: Edward Arnold (Publishers), 1970.MEHTA, P. K.; MONTEIRO, P. J. M. Concreto: estrutura, propriedades e materiais. São Paulo: PINI, 1994.MONTEIRO, P. J. M. et al. Effect of aggregate deformation on alkali-silica reaction. ACI Materials
Journal, v. 98, n. 2, p. 179-183, 2001.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Bibliografia Consultada
NORTON, F. H. Introdução à
tecnologia cerâmica. São Paulo: Edgard Blücher, 1973.PITEIRA, M. Cerâmicos técnicos.
Disponível em: http://www.dcm.fct.unl.pt
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SHACKELFORD, J. F. Introduction to materials science for engineers. 4. ed. New Jersey: Prentice Hall / Simon & Schuster, 1996.•______. Introduction to materials science for engineers. 5. ed. New Jersey: Prentice Hall, 2000.TAYLOR, H. F. W. Cement Chemistry. 2. ed. London: Thomas Telford, 1997.VAN VLACK, L. H. Princípio de ciências dos materiais. São Paulo: Edgard Blücher, 1970.
Livro: Materiais de Construção Civil Organizador/Editor: Geraldo C. Isaia
Bibliografia Consultada
•______. Princípios de ciência e tecnologia dos materiais; tradução de Edson Monteiro. 4. ed. Rio de Janeiro: Campus, 1984.•______. Propriedades dos materiais cerâmicos; tradução de Cid Silveira e Shiroyuki
Oniki. São Paulo: Edgard Blücher, 1973.
•YOSHIMURA, H. N. Bate-papo programado –
Cerâmica Avançada:
IPT – Atividades, 2002. Disponível em: http://www.ipt.br/atividades/serviços/chat/ARQ.
Acesso em: 4 mar. 2007.